[发明专利]通过一体化酶生产进行的高效木质纤维素水解

说明书

发明领域

本发明提供了用于从木质纤维素原料生物技术产生单体化合物例如糖和/或乙醇的方法。

发明背景

由于有限的矿物油资源以及对要求减少CO₂排放的原因，化学工业寻求更加可持续的生产途径来制造大宗化学产品例如液体燃料和基础化学品(base chemicals)。该策略的一部分关注在木质纤维素生物质至通用化学品或燃料例如乙醇的转化。木质纤维素生物质包含纤维素(～25-40％w/w d.s.)、半纤维素(～15-25％w/w d.s.)和木质素(～15-30％w/w d.s.)(作为主要组分)和少量其它碳水化合物、蜡、蛋白质和无机化合物。可如Sluiter等人，2008所述测定任何原料的具体组成。在植物生物质的形式当中，由于它们可用性、低成本和环境友好的生产，来源于任何林业和农业废物流例如木材残渣和谷草的木质纤维素生物质特别适合用于至大宗化学产品和燃料的转化。此外，利用木质纤维素原料的生产过程的生命周期分析显示相较于基于其它原料的方法减少的温室气体排放。

描述木质纤维素生物质至乙醇和其它基础化学品的转化的各种方法选择已进行了描述(Pejo等人，2008)。为了在工业规模上实现这些方法，特别期望将可再生原料中包含的最大量的能量、碳和物质成分(mass content)转移至终产物。目前已描述的转化方法都未最大限度地实现该期望。

木质纤维素材料(例如稻草)至附加值产品(例如乙醇)的生物技术转化的典型单元操作(unit operations)是：机械退浆(mechanical de-sizing)、物理-化学预处理、酶促水解、发酵和产物回收。

实现工业规模纤维素乙醇生产的关键障碍是对高固相浓度(solids concentrations)的预处理的木质纤维素的成本效益的酶促水解。

纤维素级分的水解已被鉴定为木质纤维素至乙醇的转化的主要障碍之一。目前高效生物质水解所需的酶成本和性能是主要瓶颈。

木材或农业木质纤维素材料至糖以及进一步至乙醇的转化是包括多个步骤的复杂过程，其包括机械生物质退浆、水热预处理、酶促或化学生物质水解、生物质水解物的微生物发酵和通过蒸馏或等同技术进行下游的乙醇回收的连续组合。

[机械生物质退浆]

典型退浆步骤包括原料的机械处理例如切割、碾磨或研磨，这通常需要消耗大量能量并且造成显著的操作成本。将原料切割或碾磨成尺寸0.5mm至2cm的颗粒，这使得能够在水相中产生均匀的悬浮物。将原料颗粒悬浮成可被转移至下游单元操作的可泵浆料需要大量的水，这进一步增加了方法的操作成本(Tolan，2002)。

[预处理]

木质纤维素材料至产物例如乙醇的转化通常包括物理-化学预处理步骤。预处理目标在于从纤维素除去和分离半纤维素、破坏和除去木质素鞘、降低纤维素的结晶度、增加纤维素的可触及的表面面积、和/或增加纤维素的孔径，以促进水解试剂的透入(Tolan，2002；Wyman等人，2005)。所述预处理步骤优选动员所述生物质的戊糖级分，同时其增强含固体纤维素级分的消化性(Wyman等人，2005)。

通常使用含水浆料进行预处理步骤。优选这样的浆料具有高固体含量，包含约20至40％(w/w)的原料干物质。所述预处理法通常包括在酸(即H₂SO₄、HCl、H₃PO₄)或碱(即NH₄OH、NaOH、KOH、石灰)催化剂不存在或存在的情况下生物质的加压水热处理(pressurised hydrothermal treatment)(～100-250℃)，在原料浓度为0.1至15％w/w时添加所述催化剂(Kumar等人，2009a；Kumar等人，2009b；Kumar等人，2009c，Wyman等人，2005)。反应时间从10s变化至2h，以提供生物质组分的高效转化，为生物质水解和发酵作准备。

替代性预处理策略包括与有机溶剂或离子液体的利用组合的温和水热处理以减少生物质的不顺从性和增溶生物质的木质素和纤维素组分。这后一类预处理选择通常具有更高的成本和有限的效率。

Chandra等人(2007)描述了在稀酸不存在或存在的情况下的水热预处理是减小生物质对水解的不顺从性的优选方法，因为其动员半纤维素和部分解聚木质素而无需增溶作用。此外，其导致具有巨大表面积的无定形纤维素，这对于酶促水解是理想的。